Тайната на дългия живот на акумулаторните батерии може би се крие в приемането на различията. Ново моделиране на това как литиево-йонните клетки в комплект се разграждат показва начин за приспособяване на зареждането към капацитета на всяка клетка, така че батериите за електрически превозни средства да могат да издържат на повече цикли на зареждане и да предотвратят повреда.

Изследването, публикувано на 5 ноември вIEEE Транзакции по технологии за системи за управление, показва как активното управление на количеството електрически ток, протичащ към всяка клетка в батерията, вместо равномерното доставяне на заряд, може да сведе до минимум износването. Подходът ефективно позволява на всяка клетка да изживее най-добрия си – и най-дълъг – живот.

Според професор от Станфорд и старши автор на изследването Симона Онори, първоначалните симулации показват, че батериите, управлявани с новата технология, биха могли да издържат на поне 20% повече цикли на зареждане-разреждане, дори при често бързо зареждане, което допълнително натоварва батерията.

Повечето предишни усилия за удължаване на живота на батериите на електрическите автомобили са били фокусирани върху подобряване на дизайна, материалите и производството на отделни клетки, основани на предпоставката, че подобно на звената във верига, батерията е толкова добра, колкото е добра най-слабата ѝ клетка. Новото проучване започва с разбирането, че макар слабите звена да са неизбежни – поради производствени несъвършенства и защото някои клетки се разграждат по-бързо от други, тъй като са изложени на натоварвания като топлина – те не е нужно да разрушават цялата батерия. Ключът е да се адаптират скоростите на зареждане към уникалния капацитет на всяка клетка, за да се предотврати повреда.

„Ако не се вземат мерки правилно, хетерогенностите между клетките могат да компрометират дълготрайността, здравето и безопасността на батерията и да доведат до преждевременна неизправност на батерията“, каза Онори, който е доцент по енергийно инженерство в Училището по устойчиво развитие „Станфорд Доер“. „Нашият подход изравнява енергията във всяка клетка в батерията, като довежда всички клетки до крайното целево състояние на заряд по балансиран начин и подобрява дълготрайността на батерията.“

Вдъхновен да изгради батерия с пробег от милион мили

Част от тласъка за новото изследване се крие в съобщението от 2020 г. на Tesla, компанията за електрически автомобили, за работа по „батерия с пробег от милион мили“. Това би била батерия, способна да захранва автомобил за 1 милион мили или повече (с редовно зареждане), преди да достигне точката, в която, подобно на литиево-йонната батерия в стар телефон или лаптоп, батерията на електромобила задържа твърде малко заряд, за да бъде функционална.

Такава батерия би надхвърлила типичната гаранция на производителите на автомобили за батерии за електрически превозни средства от осем години или 160 000 километра. Въпреки че батериите рутинно издържат над гаранцията си, доверието на потребителите в електрическите превозни средства би могло да се засили, ако скъпите подмени на батерии станат още по-редки. Батерия, която все още може да задържи заряд след хиляди презареждания, би могла също да улесни пътя за електрификация на камиони за дълги разстояния и за приемането на така наречените системи „превозно средство към мрежата“, при които батериите за електрически превозни средства биха съхранявали и изпращали възобновяема енергия за електрическата мрежа.

„По-късно беше обяснено, че концепцията за батерия с издържливост на един милион мили всъщност не е нова химия, а просто начин за работа с батерията, като не се използва пълният диапазон на зареждане“, каза Онори. Свързани изследвания са съсредоточени върху единични литиево-йонни клетки, които обикновено не губят капацитет на зареждане толкова бързо, колкото пълните батерии.

Заинтригувана, Онори и двама изследователи в нейната лаборатория – постдокторантът Вахид Азими и докторантът Анируд Алам – решили да проучат как изобретателното управление на съществуващите типове батерии може да подобри производителността и експлоатационния живот на пълен батериен пакет, който може да съдържа стотици или хиляди клетки.

Модел с висококачествена батерия

Като първа стъпка, изследователите създадоха висококачествен компютърен модел на поведението на батерията, който точно представя физичните и химичните промени, които протичат вътре в батерията по време на нейния експлоатационен живот. Някои от тези промени се развиват за секунди или минути, а други - за месеци или дори години.

„Доколкото ни е известно, никое предишно проучване не е използвало вида висококачествен, многовременен модел на батерията, който създадохме“, каза Онори, който е директор на Станфордската лаборатория за енергиен контрол.

Провеждането на симулации с модела предполага, че един съвременен батериен пакет може да бъде оптимизиран и контролиран, като се вземат предвид разликите между съставните му клетки. Онори и колегите му предвиждат, че техният модел ще бъде използван за насочване на разработването на системи за управление на батериите през следващите години, които могат лесно да бъдат внедрени в съществуващи конструкции на превозни средства.

Не само електрическите превозни средства могат да се възползват. На практика всяко приложение, което „натоварва много батерийния пакет“, би могло да бъде добър кандидат за по-добро управление, основано на новите резултати, каза Онори. Един пример? Самолети, подобни на дронове, с електрическо вертикално излитане и кацане, понякога наричани eVTOL, които някои предприемачи очакват да работят като въздушни таксита и да предоставят други услуги за градска въздушна мобилност през следващото десетилетие. Все пак, други приложения за презареждащи се литиево-йонни батерии се очакват, включително общата авиация и мащабното съхранение на възобновяема енергия.

„Литиево-йонните батерии вече промениха света по толкова много начини“, каза Онори. „Важно е да извлечем колкото е възможно повече от тази трансформираща технология и нейните бъдещи наследници.“